Известный постулат о том, что алмаз – самый твердый материал, утрачивает свою значимость: китайские химики теперь приписывают это свойство редкому минералу, на 58% превосходящему алмаз по твердости. Ученые из Шанхайского Университета Цзяо Тун (Shanghai Jiao Tong University) промоделировали экстремальное воздействие давления зондирующим индентером на кристаллы двух редких веществ, претендующих на статус самых твердых материалов

Нитрид бора (BN) с кристаллической решеткой типа вюрцит (w-BN) напоминает структуру алмаза, а если эта гексагональная решетка построена из атомов углерода, то она называется лонсдейлит. Лонсдейлит является известной аллотропной модификацией углерода – «черный алмаз». В природе вюрцит нитрида бора и лонсдейлит встречаются крайне редко; и хотя эти вещества можно получить в лабораторных условиях, еще никто не тестировал их высочайшую прочность.

На рисунке представлены структуры А) алмаза Б) вюрцита (w-BN) В) лонсдейлита.

Предположения, основанные на результатах проведенного китайскими учеными моделирования, позволяют говорить о том, что вюрцит нитрида бора и лонсдейлит прочнее алмаза на 18% и 58% соответственно. Если это подтвердится в эксперименте, то в мире появятся два новых самых твердых вещества.

Конечно, провести такой эксперимент – непростая задача. Для тестирования необходимо иметь достаточное количество этих очень редких минералов. Лонсдейлит встречается в породе, образованной графит содержащими кометами, упавшими на Землю. Вюрцит нитрида бора образуется во время вулканических процессов при очень больших давлениях и температурах.

Твердость в лабильности

Из двух описанных минералов вюрцит нитрида бора может оказаться более полезным в практическом смысле, поскольку он более инертен к воздействию кислорода при повышенных температурах, чем алмаз. Из такого материала можно изготавливать превосходные наконечники для обработки поверхности или сверления, способные работать при высоких температурах, а также устойчивые к коррозии пленки, например, для обшивки летательных аппаратов.

Интересное и, в некотором смысле, парадоксальное свойство вюрцита нитрида бора определяет его феноменальную твердость: это подвижность связей между его атомами. Когда материал подвергается нагрузке, часть связей переориентируется под углом 90° и таким образом возникающее напряжение частично сглаживается.

Структура алмаза тоже способна претерпевать подобные изменения, но, в отличие от вюрцита нитрида бора, который при этом становится заметно (примерно на 80%) прочнее, алмаз этим свойством не обладает.

Проблема монокристаллов

В Гейдельбергском Университете (University of Heidelberg, Германия) также проводятся исследования в этой области. Наталья Дубровинская, руководитель работ, объясняет, что «очень важно выяснить детали механизма, который улучшает технологические характеристики материала и, тем более, такую сложную характеристику, как твердость». Поняв принцип изменения твердости материалов, можно в дальнейшем ставить задачу о получении материалов с заданными свойствами.

Однако для четкого построения и проверки теоретических концепций необходимо располагать монокристаллическими образцами материала; на сегодняшний день еще не разработаны методы выделения или искусственного получения таких кристаллов из какой-либо субстанции.

Мария Костюкова